矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法研究

邢俊华

（安徽省地质矿产勘查局327 地质队，安徽 合肥 230000）

矿山地质勘探施工钻进是矿山地质勘探施工中的主要工作内容，针对矿山地质勘探施工钻进轨迹方面的相关研究是矿山地质勘探施工中的重点研究内容[1]。为实现矿山地质勘探施工钻进轨迹的可控制性能，提高矿山地质勘探施工钻进轨迹精度，矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法应势而生。在我国，以往针对矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法研究中，主要通过定向控制的方式，确保钻进轨迹规划的合理性。考虑到实际矿山地质勘探施工钻进工程中，往往会存在矿山地质勘探施工钻进条件以及设备的客观限制因素，传统控制方法在操作过程中存在诸多困难[2]。不仅如此，传统控制方法在实际应用中由于受外界干扰较大，很容易导致其稳态运行转速波形出现波动幅度大的问题，无法满足矿山地质勘探施工钻进轨迹稳定控制的需求，证明传统控制方法明显存在不足之处有待加强。为此，本文提出矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法研究，通过设计一种新型矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法，进而提供更加科学、客观、准确的控制数据和鉴定结论，通过稳定控制矿山地质勘探施工钻进轨迹，更好的为矿山地质勘探施工钻进提供助力。

1 矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法

1.1 确定矿山地质勘探施工钻进轨迹控制前提条件

在矿山地质勘探施工钻进轨迹控制中，必须预先明确矿山地质勘探施工钻进轨迹，矿山地质勘探施工钻进轨迹示意图，如图1 所示。

图1 矿山地质勘探施工钻进轨迹示意图

结合图1 所示，为矿山地质勘探施工钻进轨迹。由此可见，在矿山地质勘探施工钻进过程中，其钻进轨迹会发生变化，为保证矿山地质勘探施工钻进轨迹控制精度，需要确定矿山地质勘探施工钻进轨迹控制前提条件[3]。本文设定的控制前提条件为矿山地质勘探施工钻进泵吸入口的压力必须大于大气压，也就是必须保证矿山地质勘探施工钻进过程中能够达到的真空状态，通过公式可表达为：

公式（1）中，P0指的是大气压，通常情况下为100kPa；∆P2指的是矿山地质勘探施工钻杆内外重度差；∆P1指的是钻渣混合液流经钻杆长度，单位为cm；mγ指的是矿山地质勘探施工钻进泵汽化的压力，单位为kN/m ；U2指的是钻杆内外重度差，单位为m；g指的是损失水头，单位为m；∆I1指的是钻杆内外重度差，单位为m；h f指的是损失水头，单位为m；hz指的是反循环单位长度，单位为m。通过公式（1），确定矿山地质勘探施工钻进轨迹控制前提条件，在满足此前提条件的基础上，开展矿山地质勘探施工钻进轨迹控制。

1.2 计算矿山地质勘探施工钻进轨迹控制参数

在满足矿山地质勘探施工钻进轨迹控制前提条件的情况下，计算矿山地质勘探施工钻进轨迹控制参数[4]。假定矿山地质勘探施工钻进轨迹与钻杆内循环液之间存在的平衡方程，在此基础上计算矿山地质勘探施工钻进轨迹控制最大悬浮速度。设矿山地质勘探施工钻进轨迹控制最大悬浮速度为Ug，可得公式（2）。

在公式（2）中，d指的是钻杆内径，单位为m；γs指的是钻渣重度，单位为kN/m3；γa指的是泥浆定向上返流速，单位为m/s。通过公式（2）可以看出，矿山地质勘探施工钻进轨迹控制与钻杆内径d、泥浆定向上返流速aγ以及钻渣重度sγ有关。因此，通过计算矿山地质勘探施工钻进轨迹控制参数可知，为保证矿山地质勘探施工钻进的顺利运行，必须严格控制矿山地质勘探施工钻进轨迹的定向。当最大悬浮速度为Ug超过矿山地质勘探施工钻进限制空间内固体颗粒在流体中的悬浮速度，为保证矿山地质勘探施工钻进轨迹不出现偏移，可以通过在钻头上安装一根钻杆配扶正器，通过扶正器保证钻孔垂直，对矿山地质勘探施工钻进轨迹进行有效控制。

1.3 实现矿山地质勘探施工钻进轨迹控制

根据计算得出的矿山地质勘探施工钻进轨迹控制参数，对矿山地质勘探施工钻进轨迹的历史趋势进行综合控制[5]。在此基（3）。础上，设矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方程为E，则有公式

公式（3）中，U m指的是矿山地质勘探施工钻进过程中真空度的损失系数；s指的是控制特征；W指的是控制误差比例系数。公式（3）计算得出的结果验证矿山地质勘探施工钻进是否正确，将地质钻探工作中所涉及的控制参数进行有效承接。因此，此次列出的计算公式可以保证地质勘探钻进符合矿山实际地质条件，通过该控制方程实现矿山地质勘探施工钻进轨迹控制。在实际进行矿山地质勘探施工钻进轨迹控制时，可以依照公式计算结果获取控制参数的重要信息，全面了解矿山地质钻探工作开展情况。

综上所述，运用本文设计的矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法能够针对砂石泵的入口压力信息和最高钻孔点的压力信息实行约束；对自动化控制相应速率进行有效调节，保证实时性的情况下不影响矿山地质勘探施工钻进轨迹控制的效果[6]。通过矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方程，在线控制钻杆内径d、泥浆定向上返流速γa以及钻渣重度γs，为日后的矿山地质勘探施工钻进轨迹控制提供强有力的数据支持。

2 实例分析

2.1 实验准备

构建实例分析，选择某矿山地质勘探施工项目作为实验对象。矿山地质勘探施工钻进的基础设施包括：30 根直径2.0m，深95m 的钻孔灌注桩。对于矿山地质勘查施工过程中所应用的几种不同型号的空气潜孔锤，可针对不同地质结构情况选择相对应型号的潜孔锤。应用表层套管技术对矿山地表十层一下位置进行钻孔，钻探到所需位置时下入表层套管。实验区域地层条件包括：细砂层、圆砾土等风化状态，针对矿山地质勘探施工钻进轨迹展开控制工作。矿山地质勘探施工钻进具体参数，如表1所示。

表1 矿山地质勘探施工钻进具体参数

结合表1 所示，本次实验内容为测试两种方法的控制稳态运行转速波形，控制稳态运行转速波形越平稳证明该方法的控制稳定性越高。首先，使用本文设计方法，控制矿山地质勘探施工钻进轨迹，通过oPWEQ 软件可视化显示其控制稳态运行转速波形，记为实验组；再使用传统方法，控制矿山地质勘探施工钻进轨迹，同样通过oPWEQ 软件可视化显示其控制稳态运行转速波形，记为对照组。

2.2 实验结果分析与结论

整理实验结果，如下图2 所示。

图2 两种方法下的控制稳态运行转速波形

通过图2 可知，本文设计的控制方法控制稳态运行转速波形明显较对照组波动小，具有更高的控制稳定性，能够实现矿山地质勘探施工钻进轨迹稳定控制，从而说明所设计的控制方法其各项功能可以满足设计要求。

3 结束语

通过矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法研究，能够取得一定的研究成果，解决传统矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法中存在的问题。由此可见，通过矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法，能够指导矿山地质勘探施工钻进工程优化。在后期的发展中，应加大本文设计方法在矿山地质勘探施工钻进中的应用力度。截止目前，国内外针对矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法研究仍存在一些问题，在日后的研究中还需要进一步对矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法的优化设计提出深入研究，为提高矿山地质勘探施工钻进轨迹控制方法的综合性能提供参考。